KR19980043251A - 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치 - Google Patents

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Abstract

복수 개의 본딩패드를 갖는 반도체 칩과, 상기 반도체 칩이 실장되는 리드 프레임의 리드를 전기적으로 연결하기 위한 와이어 본딩 장치로서, 본딩 와이어가 감겨있는 와이어 스풀; 상기 반도체 칩의 본딩패드와 상기 리드가 전기적으로 연결되도록 본딩 와이어를 안내하며, 토치전극과의 방전을 일으키기 위한 캐필러리; 상기 와이어 스풀과 상기 캐필러리 사이에 설치되어 상기 본딩 와이어를 제어하기 위한 클램프; 상기 와이어 스풀과 상기 클램프 사이에 설치되어 상기 본딩 와이어의 장력을 유지하기 위한 디버터; 상기 클램프에 각각 전기적으로 연결되어 상기 본딩 와이어의 접합 상태를 검출 전류로 검사하기 위한 본딩 모니터링 시스템; 을 갖는 와이어 본딩 장치에 있어서, 상기 와이어 본딩 모니터링 시스템은 상기 와이어 스풀에 감겨져 있는 본딩 와이어와 상기 디버터에도 도전수단으로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치를 제공함으로써, 와이어 본딩 모니터링 시스템과 전기적 연결에 있어서, 본딩 와이어와의 직접적인 접촉을 통하여 검출 오차에 대응시킬 수 있도록 병렬 회로를 형성시킴으로써, 와이어 본딩 모니터링 시스템의 검출 오차를 감소시켜 설비 가동률을 향상시킬 수 있고, 와이어 스플과 와이어 본딩 모니터링 시스템의 연결부를 철심을 사용함으로써 종래에 브러시 가루로 인한 오염 발생을 예방하고 마모로 인한 교환이 용이하도록 하여 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치
본 발명은 와이어 본딩 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 와이어 본딩 공정에서 본딩 와이어의 접착 상태의 확실한 점검을 통하여 본딩 와이어 모니터링 시스템의 검출 오차를 크게 감소시킨 와이어 본딩 장치에 관한 것이다.
플라스틱 반도체 칩 패키지는 집적회로가 형성된 반도체 다이와 그의 실장수단인 리드 프레임을 준비하는 단계, 반도체 다이를 리드 프레임에 실장시키는 다이 본딩(die bonding) 공정, 다이 본딩이 완료된 반도체 다이를 도전성 금속선인 본딩 와이어로 리드 프레임과 전기적으로 연결시키는 와이어 본딩 공정, 반도체 다이를 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 봉지시키는 봉지 공정, 리드 프레임의 필요없는 부분들을 절단하고 굴곡하여 패키지의 외형을 완성시키는 절단/굴곡 성형 공정, 및 패키지 외형에 제품 정보를 표시하는 마아킹(marking) 공정을 거쳐서 완성되며, 그 밖에 각 공정 또는 각 공정간에 제품 생산에 있어서의 원가 절감 및 신뢰성 향상을 위한 테스트 공정을 추가적으로 실시하고 있다.
상기 와이어 본딩 공정은 열압착 방식과 초음파 방식 및 초음파 병용 열압착 방식 등의 와이어 본딩법에 의해서 이루어진다. 이중에서 플라스틱 반도체 칩 패키지의 경우 초음파 병용 열압착 방식이 주로 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파 병용 열압착 방식을 이용한 와이어 본딩 장치를 나타낸 구성도로서, 다이패드(110)를 갖는 리드 프레임의 리드(112)와 반도체 다이(116)의 본딩패드(118)를 본딩 와이어(130)로 연결하는 경우이다. 초음파 병용 열압착 방식을 이용한 와이어 본딩 공정은 본딩시 초음파를 가하여 접합 온도를 낮출 수 있다. 열압착 방식의 접합 온도가 약 300~350℃인 반면, 초음파 병용 열압착 방식의 접합 온도는 약 150~300℃가 된다. 먼저 와이어 스풀(wire spool; 120)에 감겨져 있는 본딩 와이어(130)가 디버터(150)에 의해 일정한 장력을 유지하도록 하면서 캐필러리(140)에 연결된다. 캐필러리(capillary;140)에서 밖으로 나온 본딩 와이어(130)의 끝에 토치전극(170)을 통해 약 5,000볼트 이상의 고전압을 순간적으로 인가하면, 방전에 의한 입열(入熱)로 본딩 와이어(130)의 끝이 녹아 와이어 볼(132)이 형성된다. 그 후 캐필러리(140)를 강하시켜 와이어 볼(132)을 반도체 다이(116)의 본딩패드(118)에 열을 가하면서 눌러주면 와이어 볼(132)이 본딩패드(118)에 접합되어 1차 본딩인 볼 본딩(ball bonding)이 된다. 이때 순간적으로 초음파 진동을 본딩 와이어에 인가하면 저온 접합과 두 금속의 결합력 안정화를 얻을 수 있다. 와이어 볼(132)을 접착시킨 다음에 캐필러리(140)를 끌어올리면서 리드(112)위로 이동시키고, 다시 옆으로 내리면서 압착하여 본딩 와이어(130)와 리드(112)를 접합하는 2차 본딩인 웨지 본딩(wedge bonding)이 이루어진다. 그 후에 본딩 와이어(130)를 와이어 클램프(160)로 클램핑하면서 당겨 올리고 절단하면 와이어 본딩이 완료된다. 이러한 와이어 본딩은 전기적인 연결이 필요한 모든 본딩패드에 대해서 반복적으로 이루어진다. 이러한 와이어 본딩 공정을 통하여 반도체 집적회로가 가지고 있는 특성을 외부 단자로 출력 또는 전원을 입력시킬 수 있다. 현재 초음파 병용 열압착 방식이 적용되는 와이어 본딩 방식은 플라스틱 반도체 칩 패키지의 경우에 본딩 와이어로 순도 99.999%이며 직경이 수십 ㎛인 금선이 주로 이용되고 있다.
와이어 본딩에서 가장 중요한 것은 반도체 소자와 리드의 정상적인 연결이다. 그러나 상기한 와이어 본딩 공정은 와이어의 연결이 본딩패드부분에 이물질과 같은 찌꺼기가 남아 있을 경우 등 와이어 본딩의 조건이 좋지 않을 경우 융착이 되지 않는 문제가 발생된다. 따라서 와이어 본딩의 접합 상태를 확인할 수 있는 신뢰성 검사가 필요하다. 와이어 본딩된 상태는 육안으로 관찰하기조차 어려운 반도체 다이와 리드 프레임을 연결하기 때문에 와이어 본딩된 상태를 검사하기란 쉽지가 않다. 더욱이 반도체 제품의 특성이 고집적화, 고밀도화되어 가면서 입출력 핀수가 증가되는 추세에 있어서, 와이어 본딩 기술도 높은 수준의 미세접합 기술로 발전하고 있기 때문에 신뢰성 검사는 더욱더 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본딩 와이어의 접합 상태를 검사하기 위한 수단을 와이어 본딩 장치에 구비하는 방안들이 개발되어 있다. 그 방안의 하나가 와이어 본딩 모니터링 시스템(WBMS; Wire Bonding Monitoring System)을 와이어 본딩 장치에 추가적으로 설치하여 와이어 접합 상태를 검사할 수 있도록 하는 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 와이어 접합 상태를 검사하기 위한 와이어 본딩 장치를 나타낸 구성도이다. 도 2를 참조하면, 기본적으로 와이어 본딩 장치(200)는 본딩 와이어가 감겨지는 와이어 스풀(220)과 캐필러리(240) 및 본딩 와이어(230)를 고정시키는 와이어 클램프(260)를 구비하고 있다. 그리고 검출 전류를 발생하고 검출 전류의 값에 따라 본딩패드와 금선 및 리드와 본딩 와이어의 접착상태를 검사할 수 있는 와이어 본딩 모니터링 시스템(280)을 추가적으로 구비하고 있다.
와이어 본딩 모니터링 시스템(280)은 와이어 클램프를 이용한다. 와이어 클램프(260)는 본딩 와이어(230)를 고정시켜주는 역할을 한다. 여기에 와이어 본딩 모니터링 시스템으로부터 전기적으로 연결됨으로써, 전기적 검출 신호의 경로가 된다. 와이어 본딩 모니터링 시스템(280)으로부터 와이어 클램프(260)에 전기적으로 연결이 되어 있어서, 와이어 본딩 모니터링 시스템(280)으로부터의 검출 전류가 와이어 클램프(240)에 보내어진다. 와이어 클램프(240)에 보내어진 검출 전류는 와이어 클램프(240)에 접촉되어 있는 본딩 와이어(230)를 따라 반도체 칩의 본딩패드(240)와 접합 부분에 흐르게 된다. 그리고 이러한 경로를 따라 흐르는 검출 전류의 값에 따라 정상적인 접합 상태와 불량의 접합 상태가 와이어 본딩 모니터링 시스템(280)에 의하여 검사될 수 있다.
그러나 보통 와이어 본딩 모니터링 시스템에서는 전류가 약 0.7㎂의 미세한 전류에 의해 검사가 된다. 와이어 클램프가 방전에 의해 또는 본딩 와이어의 흐름에 의한 마모 및 이물질 오염이 발생된다. 이러한 미세한 불량은 검출 전류값에 영향을 주어 검출 오차를 발생시킴으로써 설비의 연속동작을 방해하고 있다. 설비의 연속 동작의 방해는 결국 설비 가동률을 저하시켜 생산성에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 와이어 본딩 모니터링 시스템과 연결되는 경로에서의 저항값으로 인한 검출 오차의 발생을 막는 것은 와이어 본딩 장치를 보다 효과적으로 사용하여 설비 가동률을 향상시킬 수 있는 중요 요소가 된다.
따라서 본 발명의 목적은 반도체 소자의 본딩패드와 리드를 연결시켜주는 와이어 본딩 공정에서 와이어 본딩 모니터링 시스템의 검출 오차를 감소시켜 설비 가동률을 향상시킬 수 있는 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파 병용 열압착 방식을 이용한 와이어 본딩 장치를 나타낸 구성도.
도 2는 종래 기술에 따른 와이어 접합 상태를 검사하기 위한 와이어 본딩 장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 본딩 와이어 장치의 와이어 스풀과 디버터 부분을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 본딩 와이어 장치의 일 실시예를 나타낸 구성도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10,100,200 : 와이어 본딩 장치12,112,212 : 리드
14,114 : 접착제16,116 : 반도체 칩
18,118,218 : 본딩패드20,120,220 : 와이어 스풀
22 : 고정 수단24 : 스풀 그라운드
26 : 축28 : 철심
30,130,230 : 본딩 와이어32,132,232 : 와이어 볼
40,140,240 : 캐필러리50,150 : 디버터
52 : 관통공60,160,260 : 와이어 클램프
80,280 : 와이어 본딩 모니터링 시스템
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치는 복수 개의 본딩패드를 갖는 반도체 칩과, 상기 반도체 칩이 실장되는 리드 프레임의 리드를 전기적으로 연결하기 위한 와이어 본딩 장치로서, 본딩 와이어가 감겨있는 와이어 스풀; 상기 반도체 칩의 본딩패드와 상기 리드가 전기적으로 연결되도록 본딩 와이어를 안내하며, 토치전극과의 방전을 일으키기 위한 캐필러리; 상기 와이어 스풀과 상기 캐필러리 사이에 설치되어 상기 본딩 와이어를 제어하기 위한 클램프; 상기 와이어 스풀과 상기 클램프 사이에 설치되어 상기 본딩 와이어의 장력을 유지하기 위한 디버터; 상기 클램프에 각각 전기적으로 연결되어 상기 본딩 와이어의 접합 상태를 검출 전류로 검사하기 위한 본딩 모니터링 시스템; 을 갖는 와이어 본딩 장치에 있어서, 상기 와이어 본딩 모니터링 시스템은 상기 와이어 스풀에 감겨져 있는 본딩 와이어와 상기 디버터에도 도전수단으로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명에 따른 본딩 와이어 장치의 와이어 스풀과 디버터 부분을 나타낸 개략 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 와이어 본딩 장치는 와이어 스풀(20)의 본딩 와이어(30)와 디버터(50)를 전기적으로 연결시킴으로써 전기적으로 병렬 회로를 구성하여 오류 검출을 보다 정확하게 한다는 것이다. 축(26)에 의해 고정되어 있는 와이어 스풀(20)은 그에 감겨져 있는 본딩 와이어(30)가 접지될 수 있도록 스풀 그라운드(spool ground; 24)를 갖고 있으며, 고정수단(22)에 의해 와이어 스풀(20)의 일측단부에 결합되어 있다. 와이어 스풀(20)로부터 본딩 와이어(30)의 장력을 유지하는 디버터(50)는 관통공(52)을 갖고 있다. 디버터(50)의 관통공(52)에 삽입되어진 도전 수단, 예컨대 철심(28)으로 와이어 스풀의 축(26)과 접촉을 이루도록 함으로써, 디버터(50)에 의해 지지되는 본딩 와이어(30)와의 전기적 연결 외에 철심(28)을 경로로 하여 와이어 스풀(20)의 본딩 와이어(30)와 쉽게 연결될 수 있다. 즉, 본딩 와이어(30)가 스풀 그라운드(24)에 연결되고, 스풀 그라운드(24)는 축(26)과 연결되어 있음으로써 전기적인 병렬 회로가 구성될 수 있다. 이때 철심은 보통 도전 수단으로 사용되는 텅스텐 카바이드 재질의 브러시보다도 강도가 크기 때문에 마모에 강하다. 이에 관련하여 전체적인 와이어 본딩 장치를 살펴보기로 하자.
도 4는 본 발명에 따른 본딩 와이어 장치의 일 실시예를 나타낸 구성도이다. 도 4를 참조하면, 와이어 본딩 공정에서 정상적인 상태로 연속적으로 와이어 본딩이 이루어지도록 검출 오차를 최대한 줄이기 위한 와이어 본딩 장치(10)는 캐필러리(40), 와이어 클램프(60), 와이어 본딩 모니터링 시스템(80)외에도 상기한 와이어 스풀(20)과 디버터(50)를 구비한다.
복수 개의 본딩패드(18)가 상면에 형성되어 있는 반도체 다이(16)이 접착제(14)에 의해 다이패드(10) 상면에 실장되어 다이패드(10)로부터 소정의 거리로 이격되어 있는 리드(12)를 갖는 리드 프레임이 준비되어 있다. 와이어 본딩 장치(10)는 반도체 칩(16)의 본딩패드(18)와 리드(12)를 전기적으로 연결하기 위한 장치이다.
와이어 스풀(20)에 감겨져 있는 본딩 와이어(30)는 디버터(50)에 의해 장력이 유지된 상태에서 본딩 와이어(30)를 안내하는 캐필러리(40)를 통하여 반도체 칩(16)의 본딩패드(14)에 1차적으로 접합된다. 그리고 와이어 클램프(60)가 본딩 와이어(30)를 고정시켜준 상태에서 캐필러리(40)가 접합부의 상방향으로 이동된다. 이때 와이어 본딩 모니터링 시스템(80)으로부터의 검출 전류가 와이어 클램프(60)를 따라 접합된 부분까지 흐르게 된다. 또한 와이어 본딩 모니터링 시스템(80)으로부터의 검출 전류는 디버터(50)에까지 흐르게 된다. 디버터(50)로 흐른 검출 전류는 그 디버터(50)에 접촉되어 있는 본딩 와이어(30)를 타고 흐른다. 그리고, 디버터(50)는 와이어 스풀(20)과 철심(28)으로 접촉을 이룸으로써 와이어 스풀(20)에 감겨져 있는 본딩 와이어(30)에까지 검출 전류를 보낼 수 있다. 와이어 클램프(60)와의 접촉 상태가 좋지 않을 경우 디버터(50)와 접촉된 본딩 와이어(30)를 통하여 검출 전류가 흐를 수 있을 뿐만 아니라 디버터(50)와의 전기적 접촉이 잘 이루어지지 않을 때 와이어 스풀(20)에 감겨져 있는 본딩 와이어(30)를 통하여 검출 전류를 보내어 검출 전류가 영향을 받지 않도록 함으로써, 본딩 와이어(30)의 접합 상태를 판정하는 전류값을 정확히 얻어낼 수 있다. 본딩패드(18)에 1차적으로 접합이 완료되면, 캐필러리(40)는 리드(12) 위로 이동하여 리드(12)의 상면과 다시 2차적으로 와이어 본딩을 실시하게 되는데, 이때도 역시 상기한 경로로 검출 전류를 보낼 수 있어, 리드(12)와의 접합 상태를 판정하는 전류값도 정확히 얻어낼 수 있다. 본딩패드(18)와 리드(12)에 접합 상태가 이상이 없으면 다음 본딩패드와 리드에 대해 와이어 본딩이 실시되며, 이러한 와이어 본딩이 반복적으로 이루어져 전기적 연결이 필요한 모든 본딩패드에 대해서 반복적으로 이루어지게 된다.
이상과 같은 와이어 본딩 장치는 정확한 검사를 통하여 와이어 본딩의 안정성을 갖도록 할 수 있으며, 추가적으로 와이어 스풀과 연결된 철심은 내마모성이 우수함으로 마모로 인한 부스러기가 발생되지 않아 공정의 진행에 유리하다.
따라서 본 발명에 의한 구조에 따르면, 와이어 본딩 모니터링 시스템과 전기적 연결에 있어서, 본딩 와이어와의 직접적인 접촉을 통하여 검출 오차에 대응시킬 수 있도록 병렬 회로를 형성시킴으로써, 와이어 본딩 모니터링 시스템의 검출 오차를 감소시켜 설비 가동률을 향상시킬 수 있고, 와이어 스플과 와이어 본딩 모니터링 시스템의 연결부를 철심을 사용함으로써 종래에 브러시 가루로 인한 오염 발생을 예방하고 마모로 인한 교환이 용이하도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 이점(利點)이 있다.

Claims (3)

  1. 복수 개의 본딩패드를 갖는 반도체 칩과, 상기 반도체 칩이 실장되는 리드 프레임의 리드를 전기적으로 연결하기 위한 와이어 본딩 장치로서, 본딩 와이어가 감겨있는 와이어 스풀; 상기 반도체 칩의 본딩패드와 상기 리드가 전기적으로 연결되도록 본딩 와이어를 안내하며, 토치전극과의 방전을 일으키기 위한 캐필러리; 상기 와이어 스풀과 상기 캐필러리 사이에 설치되어 상기 본딩 와이어를 제어하기 위한 클램프; 상기 와이어 스풀과 상기 클램프 사이에 설치되어 상기 본딩 와이어의 장력을 유지하기 위한 디버터; 상기 클램프에 각각 전기적으로 연결되어 상기 본딩 와이어의 접합 상태를 검출 전류로 검사하기 위한 본딩 모니터링 시스템; 을 갖는 와이어 본딩 장치에 있어서, 상기 와이어 본딩 모니터링 시스템은 상기 와이어 스풀에 감겨져 있는 본딩 와이어와 상기 디버터에도 도전수단으로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 와이어 스풀은 상기 본딩 와이어가 고정될 수 있도록 스풀 그라운드를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 도전 수단이 마모에 강하도록 철심인 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지용 와이어 본딩 장치.
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KR100715978B1 (ko) * 2005-08-25 2007-05-08 이정구 스파크 발생수단을 갖는 와이어 본딩용 캐필러리
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